I dagens berättelse om klimatförändringar, förorening, och minskade resurser, ett bränsle kan vara en spelomvandlare inom energiindustrin:väte. När den bränns i en förbränningsmotor eller i ett elkraftverk, vätebränsle producerar bara vatten – vilket gör det mycket renare än våra nuvarande fossila bränslen. Utan produktion av giftig gas, inget bidrag till klimatförändringen, och ingen smog, väte kan vara svaret på en framtid med renare energi, så varför används det inte mer allmänt?

Det finns två skäl till detta. Först, väte är mycket brandfarligt och läcker mycket lätt från lagringstankar, orsakar potentiella explosionsrisker under lagring och transport. Andra, även om rent väte förekommer naturligt på jorden, det finns inte i tillräckliga mängder för ett kostnadseffektivt utnyttjande. Väteatomer måste extraheras från molekyler som metan eller vatten, som kräver mycket energi. Även om det finns flera tekniker för att producera vätebränsle, forskare har ännu inte gjort denna process tillräckligt "effektiv" för att göra väte till ett kommersiellt konkurrenskraftigt bränsle på energimarknaden. Tills detta är uppnått, fossila bränslen kommer sannolikt att fortsätta att dominera branschen.

I årtionden, forskare har arbetat mot en billig, effektiv, och säkert sätt att producera vätebränsle. En av de mest lovande metoderna för att uppnå detta är genom soldrivna processer, använda ljus för att påskynda (eller "katalysera") reaktionen för att dela vattenmolekyler till syre och vätgas. På 1970-talet två forskare beskrev Honda-Fujishima-effekten, som använder titandioxid som fotokatalysator vid väteproduktion. Med utgångspunkt i denna forskning, ett team av japanska forskare ledda av prof Ken-ichi Katsumata från Tokyo University of Science, försökte använda en billigare, mer lättillgänglig halvledarkatalysator för denna reaktion, med hopp om att öka dess effektivitet ytterligare, minska produktionskostnaderna och säkerheten för vätgasbränsle. Deras studie publicerad i Kemi:A European Journal indikerar att, genom att använda en form av rost som kallas α-FeOOH, väteproduktion under Hg-Xe-lampbestrålning kan vara 25 gånger högre än titandioxidkatalysator under samma ljus.

Experimentet utfört av prof Katsumata och kollegor syftade till att ta itu med vanliga utmaningar som man stöter på vid användning av halvledarkatalysatorer i soldriven väteproduktion. Det finns tre stora hinder som beskrivits av författarna. Det första är behovet av att katalysatormaterialet är lämpligt för användning av ljusenergi. Den andra är att de flesta fotokatalysatorer som för närvarande används kräver sällsynta eller "ädla" metaller som samkatalysatorer, som är dyra och svåra att få tag på. Det sista problemet uppstår från den faktiska produktionen av vätgas och syrgas. Om den inte separeras direkt, blandningen av dessa två gaser kan i bästa fall minska produktionen av vätebränsle, och i värsta fall, orsaka en explosion. Därför, de syftade till att hitta en lösning som inte bara kan öka reaktionens effektivitet, men också framgångsrikt förhindra väte och syre från att återkopplas och skapa en potentiell fara.

Teamet identifierade en lovande katalysatorkandidat i α-FeOOH (eller rost) och satte upp ett experiment för att utvärdera dess effektivitet för väteproduktion och de optimala experimentella förhållandena för dess aktivering. "Vi blev verkligen förvånade över genereringen av väte med denna katalysator, " säger prof Katsumata, "eftersom de flesta av järnoxiderna inte är kända för att reduceras till väte. Därefter, vi sökte efter villkoret för att aktivera α-FeOOH och fann att syre var en oumbärlig faktor, vilket var den andra överraskningen eftersom många studier visade att syre undertrycker väteproduktionen genom att fånga de exciterade elektronerna." Teamet bekräftade produktionsmekanismen för väte från vatten-metanollösning med en 'gas-kromatografi-masspektrometri'-metod, visar att α-FeOOH var 25 gånger mer aktiv än titandioxidkatalysatorn som användes i tidigare forskning, stödjer stabil väteproduktion i mer än 400 timmar!

Mer forskning kommer att krävas för att optimera denna process. Prof Katsumata utvecklar:"Syrets specifika funktion för att aktivera ljusinducerad α-FeOOH har inte avslöjats ännu. Därför, att utforska mekanismen är nästa utmaning." För nu, dessa fynd av Katsumata och hans kollegor representerar nya framsteg i produktionen av en ren, nollutsläppsenergikälla som kommer att vara central för framtidens hållbara samhällen!